Aktualizované: 15.6.2020

Satelity

Televízny satelit

  Srdcom satelitnej televízie sú družice na obežnej dráhe Zeme. Ich úloha je jednoduchá: prijímať vysielanie zo Zeme a znovu ho vysielať späť na Zem, ale na oveľa väčšie územie. Fungujú podobne ako zrkadlo vo vesmíre, takže televízne signály, ktoré sa napr. zo Slovenska k satelitu dostanú, budú môcť byť zachytené prakticky v celej Európe. Hoci ich účel je jednoduchý, sú to zložité a drahé zariadenia, ktoré je potrebné navyše dostať na obežnú dráhu Zeme. Očakáva sa, že budú pracovať nepretržite aspoň 15 rokov bez akéhokoľvek servisu alebo opravy.

K čomu je dobré vysielanie televízie z vesmíru?
  Pred érou satelitov bol TV signál posielaný k divákom vysielaním len z pozemských vysielačov. Avšak pozemské vysielače nemajú veľmi široký rádius a to najmä v hornatých oblastiach, kde diváci v údoliach majú signál zatienený kopcami. Väčšina pozemských vysielačov je postavených na vrcholoch veľmi vysokých stožiarov, aby signál dosiahol čo najďalej, ale vždy je to technológia drahšia a nevzhľadná, so stálym problémom dosahu signálu za ďalšie kopce. Použitím satelitov na obežnej dráhe vo výške takmer 36 000 km nad Zemou je to ako keby bol signál vysielaný z nekonečne vysokého stožiaru vysielača a môže tak dosiahnuť aj do najhlbších údolí kdekoľvek po celom kontinente. Satelit sa umiestni na špeciálnu "geostacionárnu obežnú dráhu" a to tak, aby sa pohyboval okolo Zeme rýchlosťou takmer 11 000 km/h, teda rýchlosťou, akou sa otáča Zem okolo svojej osi. Zo Zeme sa teda bude javiť, že na oblohe "stojí" a pozemská pevná satelitná anténa môže byť na satelit presne zameraná.

Kde sa satelity nachádzajú?
  TV satelity sú umiestňované na obežnej dráhe v zoskupeniach (klastroch) v rôznych pozíciách pozdĺž obežnej dráhy. Orbitálne polohy sú od seba navzájom oddelené, takže rovnaká vysielacia frekvencia sa dá použiť z ľubovoľnej polohy, bez problémov vzájomného rušenia.

Prečo potrebujeme na príjem anténnu parabolu?
  Keďže TV satelit na obežnej dráhe nie je pripojený k žiadnemu pozemskému zdroju energie, musí ju získavať zo slnečného žiarenia, cez obrovské pole solárnych buniek, ktoré nabíjajú palubnú batériu. Tento fakt obmedzuje výkon vysielačov satelitu na maximum 150W, čo je menší príkon, než aký spotrebujú dve 100 W žiarovky. Ak k tomu pripočítame fakt, že satelitný vysielač je od Zeme cez 30 000 km ďaleko a signál sa šíri na veľmi rozsiahlu oblasť, keď dosiahne Zem, je už natoľko slabý, že bez špeciálnej antény s vysokým ziskom ho nevieme vôbec zachytiť. Parabolická anténa má veľkú zbernú plochu, ktorá združuje a odráža toľko signálu na citlivý detektor (LNB), aby ho dokázal ďalej zachytiť a následne spracovať.

Čo je LNB?
  Tzv. Low Noise Block-downconverter (LNB) je skrinka elektroniky na konci prútu umiestneného pred parabolou. Prijíma mikrovlnný signál, mení ho na elektrický signál, zosilňuje a frekvenčne posúva na pásmo, ktoré už môže byť prenášané po kábli až do satelitného prijímača vo Vašej obývačke. LNB tiež vyberá, ktorý signál z celého radu prijímaných signálov prostredníctvom satelitu bude putovať až do prijímača. Televízne signály sú vysielané vo vysokých a nízkych frekvenčných pásmach s horizontálnou a vertikálnou polarizáciou signálu. Satelitné televízne signály používajú oveľa vyššiu frekvenciu, než pozemské televízne vysielanie. Ide o pásma mikrovĺn v rozmedzí 10.70 - 12.75 GHz.
  Každý signál prichádza z jedného satelitu na určitej frekvencii a nesie niekoľko televíznych a/alebo rozhlasových kanálov súčasne (multiplex). Pretože jednotlivé signály zo satelitu musia byť frekvenčne oddelené od ostatných, v celom pásme je priestor len pre asi 30 rôznych frekvencií. Aby sme mohli získať viac signálov v rovnakom frekvenčnom pásme, satelity dokážu vysielať pomocou dvoch rôznych polarizácií (orientácii mikrovlnného signálu) - horizontálnej a vertikálnej. LNB dokáže rozlíšiť dva rôzne signály na tej istej frekvencii s rôznymi polarizáciami. Celková kapacita satelitného pásma je teda asi 60 rôznych signálov.
  Ako už bolo spomenuté, satelity produkujú na danú vzdialenosť len veľmi malý signál. Prijímacia parabolická anténa je smerová, takže musí byť zameraná na satelit s presnosťou na zlomok stupňa. Keďže satelity sú voľným okom neviditeľné, vždy je potrebné smer vypočítať.
Následne je možné prijímať signály zo všetkých satelitov, ktoré sa nachádzajú v jednom klastri (zoskupení) bez pohnutia anténou, pretože zo vzdialenosti 36 000 km sa javí klaster ako jedno miesto na oblohe, hoci sú satelity v skutočnosti niekoľko kilometrov od seba.

Uplink a downlink
  Prenos signálu zo satelitu na Zem sa nazýva downlink. Dráha signálu od zeme k satelitu sa nazýva uplink. Signály, ktoré sú vysielané zo Zeme na satelit používajú iný rozsah frekvencií (14.0 - 14.5 GHz) a sú vysielané pomocou veľkej paraboly (priemer cca 10 metrov). Kompletný spiatočný signál z TV pracoviska na Zemi sa cez satelit vráti späť na Zem rýchlosťou svetla, napriek tomu bude oneskorený o 1/4 sekundy.

Satelity a elektrosmog
  Aj keď satelity dosahujú na výstupe ich antén relatívne vysokého vysielacieho výkonu vo frekvenciách desiatok GHz, ožiarenie krajiny je extrémne nízke vzhľadom na obrovské vzdialenosti, ktoré sú potrebné na dosiahnutie Zeme. Prijímacie parabolické antény sú používané ako "šošovky" na koncentrované zameranie na zdroj signálu. Domáce parabolické antény a zodpovedajúce satelitné prijímače nie sú zdrojom žiadneho vysokofrekvenčného žiarenia. Sú to úplne pasívne zariadenia. Ak to zhrnieme, satelitná technika spôsobuje len extrémne nízke množstvo elektromagnetického žiarenia.

Kozmické sondy

Ako je možné, že kozmické sondy sú schopné prenášať rádiové signály na tak veľké vzdialenosti?
  Dve kozmické sondy Voyager dosiahli úžasný traťový rekord. Boli vyslané odfotografovať planéty Jupiter, Saturn a Neptún a v súčasnosti sa nachádzajú na vonkajšom okraji slnečnej sústavy. Voyager 1 je viac než 11 miliárd km od Zeme a stále vysiela - trvá to asi 10 hodín, kým signál docestuje zo sondy na Zem.
Výkon vysielača sondy Voyager má 23 W. Je to síce vyšší výkon, než má typický mobilný telefón, ale v kozmickom priestore je to veľmi nízky výkon. Silné pozemské rozhlasové stanice vysielajú stovkami kilowattov a ich signál slabne pomerne rýchlo. Kľúčom k prijímaniu slabých signálov teda nie je výkon vysielača, ale kombinácia troch ďalších faktorov:

• použitie veľkorozmerných antén
• použitie smerových antén, ktoré sú namierené vzájomne na seba
• použitie nerušených (tichých) rádiových frekvencií

  Anténa na kozmickej sonde Voyager je parabola priemeru 3.7 m, ktorá prenáša signál na pozemskú anténu, parabolu o priemere 70 (!) metrov (alebo kombináciu dvoch 34 metrových). Anténa Voyageru a pozemská anténa sú zamerané priamo na seba. Ak porovnáte zabudovanú všesmerovú anténu bežného mobilného telefónu so 70 m smerovou anténou, zistíte, že práve ony robia rozdiel v citlivosti príjmu.
Voyager vysiela v 8 GHz frekvenčnom pásme, kde nie je veľa rušenia. Preto je pre antény na Zemi možné použiť extrémne citlivý zosilňovač a ešte zosilniť slabé signály (stovky bilióntin Wattu), ktoré anténa prijme. Informácie pre Voyager sa vysielajú potom späť zo Zeme vysokým výkonom (desiatky kW), aby bolo zaručené, že sonda signál prijme.

  Nedávno vyvolala záujem svetovej populácie správa o prelete sondy New Horizons okolo Pluta. Prenos zaznamenaných údajov na Zem zo vzdialenosti vyše 5 miliárd km trvá niekoľko mesiacov. Prečo? New Horizons využíva na komunikáciu rádiofrekvenčný výkon len 11W, pri rozlíšení fotografie napr. 50 megapixel a rýchlosti prenosu 2.11 kb/s je teda úplne pochopiteľné, že na tak veľkú vzdialenosť to nejaký čas potrvá.

Vesmírny transpondér

  Transpondér je komunikačný systém umiestnený na palube satelitu, ktorý prijíma a znovu vysiela signál, často na dvoch rôznych frekvenciách. Systém sa aktivuje ak sú pozemské stanice mimo dohľadu satelitu alebo ak sa stratí priame komunikačné spojenie, napr. s Marsom. Krátka vzdialenosť k obežnej dráhe transpondéru je oveľa efektívnejšia pri komunikácii so Zemou. Obtiažnosť komunikácie so Zemou sa zvyšuje stratou signálu so štvorcom vzdialenosti. Táto strata musí byť kompenzovaná ziskom antény, na prijímacej aj vysielacej strane.
  Rádiová komunikácia napr. s  Marsom nie je veľmi rýchla. Kým signál dorazí zo Zeme na Mars, prejde 20 minút a 57 sekúnd. V dôsledku týchto časových oneskorení nie je možné komunikovať a riadiť vzdialené robotické vozítka v reálnom čase.

Výpočet straty signálu vo voľnom priestore
L_dB = 92.4 + 20 Log ( f [GHz] x d [km] )
Príklad: na trase dlhej 56 miliónov kilometrov od Zeme, signál prenášaný z Marsu v pásme 8.4 GHz dosiahne stratu 266 dB, veľkosť pola klesne 10²⁴ -násobne.

Výpočet zisku parabolickej antény
G_dB = 18 + 20 Log ( f [GHz] x d [m] )
Príklad: pri 8.4 GHz má parabolická anténa s priemerom 2.5 m zisk 44 dB, veľkosť pola sa zosilní asi 25 000 -násobne.

  Tento obrovský rozdiel veľkostí intenzity signálu je pomerne ťažké vyrovnať aj pri použití najväčšej antény, DSS-14, ktorá má 70 m v priemere. Transpondér na orbite tak ponúka veľkú výhodu. Druhou výhodou je rýchlosť a objem prenášaných dát za rovnaký čas.

GPS

  Navigačný systém alebo GPS (Global Positioning System) je zariadenie na príjem signálu, ktorý sa k nám dostane z výšky 21 000 km zo satelitnej družice na obežnej dráhe Zeme. Nech sme kdekoľvek na povrchu planéty, dokáže s presnosťou asi 10 m určit svoju vlastnú polohu. Nie je to zlý výsledok pre malé zariadenie, ktoré nemusí mať k sebe pripojenú 2 metre veľkú parabolu...
 
NAVSTAR
  GPS sieť, ktorú používame, sa nazýva NAVSTAR a je financovaná a obsluhovaná Ministerstvom obrany USA. Tento globálny satelitný navigačný systém (GNSS) je v súčasnej dobe jediný plne funkčný systém, ale existujú aj iné systémy, napr. ruský GLONASS, čínsky COMPASS a európsky systém GALILEO. Každý z nich sa nachádza v rôznych fázach vývoja alebo testovania.
 
  NAVSTAR bol pôvodne navrhnutý výhradne pre vojenské účely, civilná prevádzka bola povolená v roku 1983. Od tých čias bola presnosť pre civilného užívateľa zámerne degradovaná na +/- 100m pomocou systému známeho ako Selective Availability (SA). Tento systém bol vyradený z prevádzky v máji roku 2000.
 
Satelitná sieť
GPS satelity vysielajú signály do prijímačov GPS. Tieto prijímače pasívne prijímajú (teda naspäť nevysielajú) satelitné signály. Vyžadujú ničím nerušený výhľad na oblohu, takže môžu byť efektívne použité iba vonku. Činnosť prijímača nemusí byť spoľahlivá v zalesnených oblastiach alebo v blízkosti vysokých budov. Niektoré vylepšené prijímače (SiRFstarIII, MTK, atď) však už majú lepšiu citlivosť. Fungovanie GPS je závislé na veľmi presnom referenčnom čase, ktorý zabezpečujú atómové hodiny na palube satelitu.

GPS konštelácia
  Každý GPS satelit vysiela údaje, ktoré udávajú jeho umiestnenie a aktuálny čas. Všetky GPS satelity synchronizujú svoju činnosť tak, že sa tieto opakujúce sa signály prenášajú v rovnakom okamihu. Ale signály, hoci sa pohybujú rýchlosťou svetla, dorazia k prijímaču GPS pri mierne rozdielnych časoch, pretože niektoré satelity sú ďalej ako ostatné. Vzdialenosť od GPS satelitov môže byť stanovená na základe odhadu množstva času, ktorý trvá ich signálom dosiahnuť prijímač. Ak prijímač dokáže odhadnúť vzdialenosť od aspoň štyroch satelitov GPS, môže vypočítať svoju pozíciu v troch rozmeroch (polohu na Zemi a nadmorskú výšku).
Na obežnej dráhe Zeme sa nachádza vždy najmenej 24 operačných GPS satelitov. Satelity prevádzkované americkým ministerstvom obrany obiehajú s periódou 12 hodín (dve obežné dráhy za deň), vo výške asi 21 000 km a ich rýchlosť je asi 3.9 km/s (14 000 km/h). Pozemské stanice slúžia na presné sledovanie orbitu každého satelitu.
 
Frekvencie
  GPS satelity vysielajú dva rôzne signály. Bývajú označené ako L1 a L2. Civilné GPS využíva frekvenciu L1 signálu - 1575.42 MHz. Signály sa dostanú na Zem v dostatočnej intenzite len pri  priamej viditeľnosti, čo znamená, že prejdú cez oblaky, sklo, plast, apod., ale nedostanú sa cez pevné objekty pohlcujúce mikrovlny, napr. budovy a pohoria.

Zdroje chýb signálu GPS
  Budovy, terén, elektronické rušenie alebo niekedy aj hustá zeleň môže blokovať príjem signálu, čo môže spôsobiť chyby polohy alebo úplné znemožnenie určovania polohy. GPS prijímače nebudú fungovať vo vnútri budov, pod vodou alebo pod zemou.

Zaujímavosti
  Prvý GPS satelit bol vypustený v roku 1978. Plná konštelácia 24 satelitov bola dosiahnutá v roku 1994. Každý satelit je skonštruovaný tak, aby vydržal na obežnej dráhe v činnosti 10 rokov. Ich náhrady sú priebežne vypúšťané na obežnú dráhu. GPS signál obsahuje tri rôzne informácie - pseudo náhodný kód, almanach údajov a efemeridy.

  GPS satelit krúži nad Zemou vo výške asi 21 000 km. Útlm signálu vo voľnom priestore pri vzdialenosti 21 000 km je asi 182 dB. Ak od výkonu satelitu odpočítame stratu signálu po ceste vo voľnom priestore (57 - 182), dostaneme -125 dBm. Satelity na konci životnosti majú ERP výkon asi o 5 dB nižší, čo vychádza asi na -130 dBm intenzity signálu, ktorý dopadá na Zem.

  GPS zariadenie (skrátene navigácia) teda musí mať veľmi citlivý prijímač, ktorý pracuje častokrát na hranici tepelného šumu elektronických obvodov. Akákoľvek pevná prekážka (steny a strechy domov, hustá zeleň, ale aj hustý dážď) môžu úplne znemožniť príjem GPS signálu. Z pohľadu elektrosmogu sa teda niet čoho obávať. Pri tak malých hodnotách signálu je situácia obdobná ako u televíznych satelitov.

Frekvencie, časový priebeh, modulácia:

Radarové systémy, letecká, plavebná komunikácia a navigácia
ZDROJ	FREKVENČNÁ DOMÉNA	ČASOVÁ DOMÉNA
GLOBÁLNY NAVIGAČNÝ SYSTÉM (GPS L1) 1574 - 1577 MHz Signál vysielaný z orbity navigačných družíc vo výške 21000 km nad Zemou. Šírka kanála 2.6 MHz, nepulzná modulácia, avšak spektrum obsahuje diskrétne frekvencie 12.5, 160, 166 Hz
GLOBÁLNY NAVIGAČNÝ SYSTÉM (GPS L1) 1574 - 1577 MHz Signál vysielaný z orbity navigačných družíc vo výške 21000 km nad Zemou. Šírka kanála 2.6 MHz, nepulzná modulácia, avšak spektrum obsahuje diskrétne frekvencie 12.5, 160, 166 Hz

Súvisiace články: